摘 要  据国内外相关钢铁流程专业技术文献资料，概述高炉—转炉传统流程和近年来国内外非高炉—电炉短流程的科研、技术开发及工业生产应用状况。氢能是一种绿色、高效、清洁的新能源，相关研究资料表明，无论是将氢能应用于传统长流程还是非高炉工艺流程，氢冶金在过程优化、节能减排、生产效率、指标提升方面均表现了显著的优势。本文重点概述了氢冶金的分类及特点，一定程度上为钢铁企业即将或正在实施钢铁新流程在技术选择、方向上提供了较为全面的借鉴。

关键词  钢铁 传统流程 非高炉工艺 氢冶金 

1  概 述         

熔融还原工艺属于高温冶金流程，生产工艺存在反应热高、配碳高、热效率低（典型熔融还原高温还原废烟气带走热量约50 %，综合热利用效率<30 %）、冶炼控制难度大（如Hismelt工艺还原、熔化分别需要还原、氧化气氛）、预还原竖炉吨铁耗气量高、金属化率低（50~70 %居多）等不足。这集中表现为目前开发、应用的各种熔融还原炼铁一次煤耗太高，整体上难以超越现代高炉炼铁流程。此外，高温粉尘会自发的黏壁，影响换热；金属化球团、粉体膨胀粉化引起的结圈黏结、堵塞或及离开反应器（Hismelt、转底炉）的高温烟尘利用都是设备长期稳定运行的不确定因素^[1~3]。因此，开发低能耗、环境负荷轻的低成本绿色钢铁冶炼新工艺、新流程、新技术得到越来越多的关注和研究^[4]。在炼铁领域，用氢作为还原剂得到生铁的氢冶金工艺是一种根本上实现低能耗、低碳（甚至无碳）排放的冶金新技术。中国钢铁行业引领者—中国宝武拟大规模投入绿色创新资源，组建低碳冶金创新研究中心^[5]。2019年1月，中国宝武与清华大学、中核集团签订《核能-制氢-冶金耦合技术战略合作框架协议》，宣告了正式开展技术、规模、效益全方位引领的全球钢铁业引领者的具体实践。随着近日中国宝武低碳冶金创新中心富氢冶金示范线的顺利投入运行，标志着中国正式拉开了氢冶金进程序幕^[6]。本文重点概述了氢冶金的背景、特点及分类应用。

2氢能开发利用的国内外背景    

氢燃烧的热值为汽油的3倍，液化石油气的2.5倍，氢燃烧生成水，生产过程不产生污染并且燃烧产物（H₂O）可实现循环利用，是一种高燃烧价值、绿色、清洁、高效的新能源。 ^[7~8]。《巴黎协定》要求：在1990年碳排放基础上，到2030年、2040年需完成减排40 %、60 %目标。作为空气质量影响主源之一的钢铁工业流程（尤其是炼铁工序）需要从碳输入层面实现大幅度降低碳（甚至无碳）排放量、提高能量利用的研究及其应用成为重要途径。瑞典钢铁公司（SSAB）、德国萨尔茨吉特公司（Salzgitter）、奥钢联（Voestalpine）等欧洲钢铁企业分别提出HYBRIT、SALCOS、H2Future等项目，作出利用氢能取代碳还原炼铁的冶金新工艺的有益探索^[9]（图1~3）。HYBRIT项目：清洁能源发电→电解水产氢→高炉流程（用氢气取代煤和焦炭）。结合电解水产氢→直接还原铁工艺→直接还原海绵铁（排放水及多余氢气）→电弧炉冶炼；SALCOS项目：绿色电力→电解制氢（+天然气）→炼铁工艺（氢替代碳，高炉流程逐步转化为DRI流程）→炼钢（炼钢流程逐步转化为EAF流程）；H2Future项目：采用研发突破性的Ｈ₂替代焦炭冶炼技术实现氢气直接还原铁工艺，并将氢气应用于钢铁生产流程中的的退火炉等其他环节，实现到2050年减少80 %碳排放的最终目标^[9]。

图1 传统工艺和HYBRIT工艺流程比较^[9]         图2 萨尔茨吉特氢利用流程与传统工艺流程^[9]

图3 奥钢联H2Future项目流程构想^[9]

结合我国钢铁工业技术发展和碳排放现状，兼顾钢铁工业流程资源配置、环境影响、能源利用、经济性等要素，中国中冶赛迪公司提出了以“氢能制备→氢能冶炼→碳捕集利用技术（CCUS）”为主线，通过低碳富氢高炉喷吹、氢基竖炉直接还原、基于高效预还原的氢基熔融还原等三大创新技术路线实现我国绿色低碳氢冶金的技术方案^[10]（图4），目标为：到2030年，富氢低碳高炉实现减少碳排放≥35 %，氢基竖炉直接还原实现减少碳排放≥60 %；再进一步通过CCUS技术初步实现零碳冶炼。目前，已联合有关高校、钢企就高炉喷吹氢气炉内行为机制及氢基竖炉、氢冶金从冶炼基础理论到关键工艺、核心装备的成套技术研发。

图4  中冶赛迪氢冶金技术路线图^[10]

徐匡迪院士^[1]指出，钢铁冶炼流程要真正实现低碳、高效，必须改变以碳为主要载体的铁冶金过程。目前世界各国钢铁工业发展的主要应对举措应为高炉—转炉长流程持续节能减排+逐步扩大以电炉炼钢为核心的短流程。同时结合开展高炉炉气循环、部分以氢能源替代碳还原技术的研发，利用富含H₂+CO气体的焦炉煤气重整后从高炉炉身喷入促进间接还原，进一步降低碳排放10~20 %；在核能（可再生能源）成为一次能源主流前以加强氢冶金的理论基础研究和前瞻性布局为研究重点。以减少碳排放为目标，传统高炉、非高炉炼铁流程工艺路线选择的共同融合点是提高氢气的应用比例。包括：含氢物质（焦炉煤气重整、天然气）喷吹的低碳高炉前沿技术；氢基竖炉直接还原制备高级洁净钢、基于氢冶金的熔融还原直接炼钢等减排低碳的非高炉炼铁技术^[11]。朱仁良^[12]认为，围绕氢冶金技术路线及目标开展富氢（纯氢）冶炼相关研究应实行低碳冶金、零碳排放冶金、无碳冶金三步走战略：第1阶段为“高温堆制氢＋高炉富氢冶炼＋核电取代燃煤自备电站”技术路线；第2阶段为“1阶段技术路线＋冶金气加氢制化工原料”技术路线，即在1阶段基础上结合煤化工技术，将排放气转化为化工原料实现零碳排放；第3阶段为“高温堆制氢＋纯氢还原气基竖炉＋核电＋电炉炼钢”，完全摆脱对煤、天然气等化石燃料的依赖，实现无碳冶金。

与国外同行相比，数据表明，我国宝钢高炉在焦比、燃料比、煤气利用率等主要能耗指标方面已经处于领先地位，高炉有效热量利用率（KT）已达93.5 %，由于不能利用炉顶煤气带走的4.6 GJ化学能，吨铁碳素消耗很难再进一步降低；同时，因原燃料条件限制，高炉难以继续大型化和显著提高生产率。在分析业界主流技术方向并结合未来发展需要的基础上，以实现减碳15 %的目标，宝钢正围绕实现第1阶段目标开展研发。同时也在开展第二、第三阶段的预研究，设想的核氢冶金技术耦合的总体技术路线如图6所示^[12]。

图5 宝钢高炉主要指标比对^[12]                 图6  核氢冶金技术路线设想^[12]

3 氢能利用、氢冶金的分类及特点    

氢冶金通常是指利用氢作为还原剂部分（全部）代替碳还原剂，减少CO₂排放，实现钢铁工业可持续发展的冶金新工艺^[13]，包括利用氢气生产海绵铁的气基直接还原工艺或其它富氢冶金技术，富氢冶金技术有：烧结喷吹含氢气体燃料技术；高炉喷吹焦炉煤气、天然气、废塑料和废轮胎等；焦炉煤气或煤制气（水煤气）生产DRI等^[14]。即包含应用氢气或富氢还原气体（一般H₂含量不应低于55 %）将铁矿石中各类氧化铁还原为金属铁的冶炼过程。煤还原铁矿过程由于使用高挥发份煤种产生的部分氢气，不能归为氢冶金。

3.1 氢能（富氢燃料）在高炉流程的应用

在高炉—炼钢流程，炼铁工作者通过各种技术措施，尽可能减少过程的燃料比（焦比+喷煤、喷油比），我国宝钢的燃料比已经<495 kg/tFe（429.892 kg(C)/tFe）（图5），已接近理论计算最低碳比（414 kg(C)/tFe）。尽管如此，高炉碳排放量仍达约1.5 t(CO₂)/tFe，全流程钢铁生产总的碳排放量仍可达2.0~2.5 t(CO₂) /t(钢)^[12]。这也表明采用氢冶金的迫切性。

早在2000年，中国冶金工作者即开始关注氢能源的应用并提出应用焦炉煤气量产制氢还原气的正确切入点。同时，国外制订的氢还原研究内容和目标包括：焦炉煤气重整及还原气喷入风口反应行为研究；铁矿石用 H₂+CO还原气进行高温还原的基础研究及其应用技术经济评价；铁矿石氢还原的动力学研究及高炉内焦炭和氢基气体反应研究。研究中进行了200 m³/t重整后焦炉煤气从高炉炉身及风口喷吹还原的模拟计算（图7）及模型试验验证。结果表明, 从炉身喷吹效果最好，燃料比可从588 kg/ t降至486 kg/t^[1]。韩国浦项研究院分别进行了不同氢气浓度（H₂：0~100 %）还原氧化球团反应常数测定和完全还原FeO_1.05样本的时间比较等试验研究，结果均表明H₂的有无、浓度大小对还原速度、还原时间有显著影响（图8~图9）^[1]。2019年11月，德国蒂森克虏伯公司在全球首次将氢气注入杜伊斯堡厂9号高炉，正式启动以氢代煤炼铁试验，预计在2022年完全使用氢气后降低碳排放20 %^[15]。

图7 高炉炉身及风口喷吹200 m³/t焦炉煤气计算^[1]

图8 用不同浓度CO、CO+H₂、H₂还原球团的反应速度常数^[1]

图9  FeO_{1 .05} 样品在1093K不同氢气浓度完全还原时间关系^[1]

孔令兵、郭培民等^[16]对高炉喷吹氢气入炉后其在炉内各个区域的还原行为进行了研究。其过程为：从风口喷入的氢气在吸收热量后随着煤气流升至炉内1 000 ℃以上区域时，将热量传给物料并还原氧化铁；另一方面可在低于水煤气反应平衡温度时催化焦炭与多价氧化铁的还原反应。综合看，氢气在风口高温区吸收的热量，可以通过上部炉料间接还原的增加及氢气释放的热量得到补偿，其节碳效果近似为ΔC=0.287+0.137 V（V：吨铁氢量 m³/t）；东北大学唐珏、储满生等^[17]进行了基于梅钢原燃料条件下利用富余焦炉煤气进行高炉风口喷吹的数值模拟研究，结果表明，与未喷吹焦炉煤气相比，喷吹后高炉炉内还原气浓度和炉内炉料还原速度明显加快，效果反映为：焦比降低14.43 %，碳排放减少8.61 %；毕传光等^[18]在用多流体高炉数学模型对梅钢原燃料条件下高炉喷吹焦炉煤气进行数值模拟研究，并在此基础上分析了高炉喷吹焦炉煤气的综合经济效益。结果表明，当考虑煤气富余量、富氧能力等因素对高炉进行适宜数量的焦炉煤气（50 m³/t(Fe)）喷吹时，不仅取得显著的增产、节焦、减排效果，也获得了显著的经济效益：当期吨铁成本降低20.14元（当期焦炭价格1607元/t，焦炉煤气0.7749元/m³），年可节约焦炭7.79万t，创效5 115万元。

3.2 氢能（富氢燃料）在直接还原流程的应用

氢是高化学能还原剂，H₂的还原潜能、在铁矿石中的穿透力分别是CO的11倍、5倍，这有助于提高还原反应速度，降低反应温度，是进行直接还原铁生产的理想还原剂。此外， 在氢还原过程中铁矿石不与焦炭接触，直接还原铁产品为高纯铁，这有利于电炉生产出高纯净钢^[19]。DR—EAF短流程在天然气储量丰富的国家和地区得到了实质性地发展，我国天然气资源短缺，钢铁工业流程以传统长流程为主，一般高炉—转炉流程钢厂配套相应规模的焦化厂，炼焦过程大量产生的焦炉煤气（320 m³/t煤）是满足直接还原生产的高质量还原气源，这成为我国发展DR—EAF短流程的最大优势^[20]。国外气基竖炉直接还原工艺流程中，天然气中CH₄（90~95 %）经高温热裂解成富含H₂+CO的还原气（70 %H₂+30 %CO）；焦炉煤气中CH₄为24~26 %，H₂为56~62 %，不需裂解耗能直接适用于气基还原工艺^[20]。 

气基竖炉生产DRI工艺具有生产规模大、生产成本低、环境友好等优点，HYL-ZR（希尔）工艺因可在其技术装备设备无需改动情况下使用焦炉煤气（煤气化）作为还原气体而成为首选^[20]，其工艺流程基本原理是通过在自身还原段中生成还原气体（现场重整）来实现最佳的铁矿石还原效率，即通过碳氢化合物（天然气或焦炉煤气）经过不完全燃烧及还原反应器内的金属铁的催化作用在现场重整生成还原气（图10），无需对焦炉煤气进行特殊处理^[21]。传统高炉—转炉流程综合性钢厂（配置有焦化）中能源使用为：低热值的高炉煤气作为焦炉和高炉热风炉燃料，高热值焦炉煤气作为轧钢厂和发电厂燃料。有必要指出的是， 焦炉煤气作为还原剂比作为燃料更为适宜^[20]。用循环经济的观点，在配置有焦化的综合钢厂设置直接还原厂（HYL-ZR（希尔）工艺）合理利用钢铁流程中产生的大量焦炉煤气进行直接还原铁的生产（图11）^[21]，其生产出的直接还原铁（冷态、热态）可就近用于钢铁厂：直接加入冶炼设备（电炉或转炉）用于炼钢；热压成块作为转炉冷却剂；用于高炉增产节焦。从而形成我国特有的长流程与短流程并存的钢铁冶金新流程^[20]。

                     图10  HYL-ZR（希尔工艺）流程图^[20]           

图11  钢铁长、短流程并存生产模式（在联合钢厂设置直接还原厂）^[21]

东北大学唐珏、储满生^[17]等重点对DR—EAF短流程中应用煤制气－气基竖炉直接还原工艺流程（图12）建设年产1万t DRI中试装置关键共性前沿技术进行了研发和测算。该流程煤制气采用恩德法技术，以灰分<25 %、灰熔点高>1 250 ℃、低温化学活性好的不粘结（弱粘结）性煤为原料制得H₂、CO含量分别为57 %、38 %的净煤气，再通过还原气加热和竖炉炉顶煤气循环技术得到温度≥930 ℃满足气基竖炉要求的还原气和实现煤气循环。并以该DR—EAF流程（30 % DRI + 70 %废钢）生产1 t电炉钢水为单位对生产进行了综合评价，结果表明，对环境影响最大的关键工序是煤制气、加热和电炉，该条件下吨钢总能耗为263.67 kgce，吨钢CO₂排放量为 829.89 kg，优于传统高炉－转炉流程。

图12 煤制气-气基竖炉直接还原工艺流程^[17]

如前所述（上篇），相比传统高炉—转炉流程，DRI（废钢）—电炉短流程由于其在节能减排、环保的优势逐渐得到重视，随着我国煤制气技术的进步及社会废钢累积量的增加，基于煤制气的气基竖炉—电炉短流程成为钢铁工业低碳绿色发展的重要方向^[22]。李峰等^[23]对天然气竖炉和煤制气—竖炉直接还原工艺的经济性进行了对比分析。结果为：煤制气成本约为0.5元/m³时，该工艺即可与天然气成本2元/m³的天然气竖炉工艺竞争。此外，李峰等^[22]基于GaBi7.3软件分别对煤制气—气基竖炉—电炉短流程和高炉—转炉流程进行整体评价。结果表明，相比长流程，该工艺吨钢能耗及CO₂、SO₂、NOx、粉尘排放量分别减少60.64 %、55.65 %、74.0 %、22.7 %和15.9 %，同样说明该工艺环境影响远小于传统长流程。

此外，铁矿石经氢气直接还原工艺可以得到纯净度很高的产品，将其作为主要原料，再经过熔分和精炼流程后可以得到高品质钢铁材料。李彬^[24]在实验室条件和规模下，探索性地研究了氢气直接还原—熔分—渣精炼流程冶炼高纯净钢铁材料的新工艺。以氢气直接还原铁为原料，制得了纯度为99.987 %的高纯铁液，再进一步经过冶炼得到极低全氧含量（4.8 ppm）及Ti含量（6 ppm）的高纯净轴承钢，冶炼高纯铁和高纯轴承钢为例。该工艺主要流程、步骤为：氧化性球团矿→氢气还原焙烧→直接还原铁（S、Si、Mn、Ti等杂质不还原）→熔融分离（以FeO调整渣成分脱P）→高纯铁液→渣精炼→高纯净轴承钢。林安川等^[25]为了降低直接还原铁粉生产成本并提高纯度、改善其性能，采取催化还原—磨选—氨分解气钢带炉精还原工艺流程，利用氢气纯度为75%的氨分解气对采用在w(TFe)<60.0 %、w(SiO₂)>2.0 %、w(Al₂O₃)>1.5 %钒钛磁铁精矿条件下得到的高碳一次铁粉（w(C)>0.50 %，w(TFe)>91.0 %）进行二次精还原，通过氢还原除去一次铁粉原有及在磨选过程中再氧化的氧，同时脱掉铁矿石催化还原过程中所增的碳，以及部分的脱硫和防止渗氮。批量得到w(HL)<0.20 %、w(TFe)>98.5 %、金属化率大于99.0 %的微合金铁粉。

图13 利用攀西铁矿多单元连续制备微合金铁粉直接还原工艺^[25]

3.3 关于纯氢冶金的讨论           

用纯氢进行冶金是真正实现无碳、低成本高效冶炼的新冶金工艺，从上述可知，该工艺将实现资源消耗以及各种渣、尘、CO₂、NOx、SOx等排放的大幅度下降，尤其利于得到超低磷、超低硅、超低硫的新型洁净钢水，显著提高钢材质量及改变后续的冶炼过程。上世纪 80年代在西欧国家进行的全氢气竖炉工业生产实践表明100%纯氢大型竖炉生产直接还原铁技术可行，但近年来尚未有纯氢竖炉生产实践。唐钰指出^[17]，纯氢竖炉冶金工艺存在需要重视和解决的不足，主要为：没有碳源，系统内部无法实现热量互补，竖炉中纯氢还原铁氧化物的强吸热反应（（Fe₂O₃，Fe₃O₄，FeO）+H₂ →（Fe + H₂O））会导致竖炉中散料层温度场急剧向凉，影响煤气利用率大幅下降。采用增加过量的入炉氢气量作为载热体的方式可以弥补竖炉还原的温度场的平衡，但会导致成本增加、生产率下降；纯氢过低的密度导致氢气会迅速逃逸和易改变在炉内的路径、方向，造成高温带还原效率降低。采用加压、高温（>1 000 ℃）的方法可以弥补这一不足，但由于氢气的易燃易爆性在高温高压条件下生产存在安全风险；纯氢的制备成本问题，这导致纯氢竖炉生产DRI难以盈利。反之，富氢煤气由于存在有20~35 %的CO，还原时可以同时进行放热反应与吸热反应，这显著改善竖炉内的供、传热及传质热力学、动力学条件，提高直接还原速度和还原效率；此外，国内丰富的煤炭资源、成熟的煤制气技术条件使得富氢竖炉还原在现阶段更具优势。

3.4 氢的来源、制备    

钢铁工业生产规模巨大，规模化实施氢冶金所需氢源是必须面临的问题^[13]。目前成熟的制氢技术主要包括：富余焦炉煤气变压吸附制备纯净H₂^[2]，天然气裂解转化、煤气化技术、废旧轮胎氧化技术等制备富氢还原气体，所制备富氢还原气应用于冶金可以实现少碳（减碳）效果。水电解制氢可以以水为原料制备纯氢，但在我国电能结构中占据主导地位的仍是以煤（炭）发电，仍存在碳排放问题。核电是通过原子核聚变和核裂变释放大量热量，能量按照核能-机械能-电能进行转换得到的电力^[26]，是理想的清洁能源。从我国近十年全国发电量发展趋势核总量构成来看（表1）^[27]，我国火电占比虽然逐年下降，但至2019年占比仍然高达69.60 %；核电、风电、太阳能等清洁能源虽然得到很大发展，但占比仍仅为4.0~5.5 %。即，即便将目前的核电全用于氢冶金，也只能使极少量的铁-钢流程实现无碳冶金。

表1 我国近十年全国发电量总量构成

（数据来源：国家统计局、中电联）

国外资料表明^[28]，氢能利用的主要来源为天然气，利用天然气、蒸汽、甲烷重整技术产氢量占总产量75 %；利用煤气化技术制氢主要在中国应用，其产氢量约占总产量的的23 %；水电解制氢技术产氢量约占氢总产量的2 %。经济性和低碳性是制约选择制氢技术路线的关键因素^[17]。因技术、地域不同氢制备生产成本存在明显差异，利用天然气、煤制气技术产氢、富余焦炉煤气进行氢冶金具低有成本优势。可以判断，只有在低电价和大规模高负荷下电解制氢才能体现竞争力。随着碳排放成本的增加和利用风电、核电、太阳能等绿色能源制氢技术装备的发展和制备成本的降低，绿色氢在钢铁工业的规模化应用才能成为现实。

4结语

在日益严峻的环保、排放要求新形势下，氢能作为一种绿色、高效、清洁的新能源得到国内外冶金工作者越来越多的关注和研究。以高化学能氢作还原剂取代（部分或全部）用焦炭（喷吹煤）不完全燃烧产生的CO（或直接用C）作还原剂的氢冶金引发了钢铁冶金工艺流程（高炉和非高炉）能效、排放的根本性变化。基于国内高炉工艺技术特点、煤炭资源和原燃料特点、煤制气技术及纯氢制备所处阶段现状，高炉富氢冶炼和氢基竖炉直接还原工艺是我国钢铁工业目前大幅减少碳排放、降低能耗实现绿色可持续发展的两大主要方向。相关文献资料研究表明，我国实施氢冶金应在具体条件下应分时期、分阶段目标进行，现阶段具备条件的传统高炉流程应考虑以焦炉煤气重整喷吹工艺为途径实现显著降低碳排放、焦比为目的；富氢气基竖炉直接还原工艺在现有装备设计、煤制气技术、生产实践基础上持续完善，可以充分发挥氢气在高温还原方面优势，利于竖炉直接还原工艺获得较佳的产能、能耗指标。在天然气资源不足的客观实际下，我国钢铁工业长流程格局利于实现高炉—转炉流程和DR—EAF流程的融合共存，为推进行业转型升级、可持续发展提供新思路、新方向。从远期氢能发展、实现氢冶金无碳排放角度出发，无论是焦炉煤气（重整）、天然气裂解、煤制气技术、电解水制氢工艺，仍存在难于避免碳排放、受限于资源条件或是电能结构等方面的不足。氢冶金作为低碳（无碳）冶金的主流程和钢铁工业的发展方向，大规模获得清洁、廉价充足的氢源是氢冶金发展产业化的关键，研究、发展并实践以生物能、太阳能、风能、核能等无碳、清洁、经济制氢及储氢装置与技术，将有助于实现纯氢冶金。

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